diplomová práce

Využití plazmoniky v organické fotovoltaice

Text práce 2.85 MB

Autor práce: Ing. Martin Láska

Ak. rok: 2010/2011

Vedoucí: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Oponent: RNDr. Antonín Fejfar, CSc.

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá studiem plasmonicky navýšené absorpce vedoucí ke zlepšení účinnosti organických solárních článků. K navýšení absorpce světla ve fotoaktivní vrstvě jsou použity koloidní nanočástice stříbra. Rozptyl světla z nanočástic střibra do fotoaktivní vrstvy představuje jedno z možných řešení, jak navýšit celkovou účinnost fotovoltaických zařízení. Simulace elektromagnetických jevů jsou pro statické podmínky prováděny v softwaru Lumerical (Lumerical Solutions, Inc.). Je zkoumána absorpce ve fotoaktivní vrstvě v závislosti na konfiguraci stříbrných nanočástic. Simulace potvrzují, že ve fotoaktivní vrstvě, která je modifikovaná nanočásticemi stříbra, dochází k navýšení absorpce. Abychom potvrdili výsledky simulací, bylo vyrobeno několik stříbrem modifikovaných vzorků. Vzorky byly pro tento druh experimentu připravené z poly(3-hexyltiofenu):[6,6]-fenyl-C61-butyric-acid-metyl esteru. U některých, nanočásticemi stříbra modifikovaných, vzorků dochází k navýšení tvorby excitonů, v důsledku čehož je pozorován nárůst fotoproudu. V této práci je zahrnut teoretický i experimentální přístup k dané problematice.

Klíčová slova:

Organické solární články, plasmonicky navýšená absorpce, P3HT:PCBM(60), nanočástice stříbra, optické vlastnosti.

Termín obhajoby

20.6.2011

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaBznamka

Klasifikace

B

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. RNDr. Josef Kuběna, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Student dokázal vhodně naplánovat experimenty a zajistit jejich uskutečnění. V této části prokázal nadprůměrné manažerské schopnosti  a využil své zkušenosti i kontakty z předchozího studijního pobytu v rámci programu ERASMUS na univerzitě v Eindhovenu. Práce je přínosná pro výzkumnou skupinu povrchů, neboť mapuje zcela novou oblast (využití plazmoniky ve fotovoltaice), která bude v dalším období skupinou zkoumána. Postupy i předběžné výsledky představují cennou zkušenost, která bude dalším výzkumem prohlubována.Přínosem je rovněž i skutečnostm že práce je psána v anglickém jazyce. Ocenil bych však lepší fyzikální vhled studenta do dané problematiky i větší samostatnost při simulacích a interpretaci výsledků.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Známka navržená vedoucím: A

    Práce se věnuje velmi aktuálnímu a v současnosti široce studovanému tématu využití plazmonických struktur pro zlepšení záchytu světla v organických fotovoltaických článcích. Práce je psána v anglickém jazyce na slušné úrovni, je zdařile graficky zpracována a má potřebné formální náležitosti, včetně výstižného seznamu odkazů, seznamu symbolů a zkratek.
Práce obsahuje stručný úvod do problematiky a shrnutí stavu v kapitole 2. Kapitola 3 je stručným úvodem do využití plazmoniky pro koncentraci světla do absorbční vrstvy fotovoltaických článků. Kapitola 4 pak obsahuje autorovy vlastní výpočty optických polí pro zamýšlené struktury. Kapitola 5 nakonec shrnuje výsledky pokusů, které autor provedl s cílem připravit reálné struktury organických FV článků s kovovými nanočásticemi. Tato část zřejmě pochází z autorova pobytu na pracovišti prof. Janssena v Eindhovenu, který tak rozšířil svůj odborný záběr i na širší tematiku než je rozsah výzkumu na pracovišti VUT.
Z textu je zřejmé, že autor dosáhl vlastních výsledků v širokém záběru, věnoval se modernímu tématu a osvědčil schopnost koncentrované výzkumné práce. Množství dosažených výsledků je značné a pro diplomovou práci jistě dostatečné. První dojem z práce je tedy velmi pěkný. Při detailním čtení jsem ale získal zcela jiný pocit. V textu se na více místech vyskytují zřetelné nejasnosti nebo nepřesnosti.
    Např. hned v úvodu, na str. 13 je porovnávána dosažená účinnost 8% pro OPV s 40% pro křemíkové vícepřechodové články s odkazem na referenci [1]. Tato účinnost >40% však byla dosažena pro články založené na přechodech ve III-V vícenásobných tandemech, tedy ne pro křemík, a navíc jen při použití koncentrovaného světla. Stejně tak dosažení 8% účinnosti pro OPV se mi zdá podle data citace (2006) nesprávné. Nakonec i uvedená reference [1] se nevztahuje k tématu, týká se článků z amorfního křemíku.
    Podobných problémů je v práci více. Str. 13: použití Lumerical jistě nesměřuje k elektrostatickým výpočtům. Fulereny nejsou makromolekuly (str. 15), jsou to sice relativně velké molekuly, ale slovo makromolekuly se používá pro polymery. Tvrzení, že fulereny jsou založené na konjugovaných vazbách, tedy střídajících se jednoduchých a dvojných vazbách je nesprávné, to se týká vodivých polymerů, fulereny naopak patří mezi molekuly s aromatickými systémy ??orbitalů. Tvrzení, že vlastnosti C60 a C70 jsou „crushingly different“, má být doloženo obrázkem 3, ze kterého to ale neplyne: tam naopak vypadá spektrální závislost velmi podobně, liší se pouze amplituda, a ta může být ovlivněna tloušťkou, kontakty atd – obecně EQE se hodí právě jen k popisu FV článků, nikoliv však materiálových vlastností látek použitých v nich.
Autor často nerozlišuje mezi vlastnostmi organických polovodičů a vlastnostmi směsi v BHJ. Např. na str. 16 je tvrzení, že ve směsných materiálech je favorizována tvorba excitonů – ale správně je třeba říct, že to platí pro organické materiály obecně, směs je naopak způsob uspořádání, který se dělá s cílem excitony rozdělit. Podobných nepřesností je v textu více: diskuze bimolekulární rekombinace v rovnici (1) se vztahuje ke dvoufázovému materiálu – ale pohyblivosti elektron a děr jsou uvedeny bez rozlišení fáze. To se vztahuje i na diskuzi na str. 19.
    Na str. 21 je uvedeno, že Ag nanočástice mají 2 absorpční pásy u 368 a n 420 nm – to ale záleží na tvaru a velikosti částic a typicky lze najít měřená spektra, kde je pouze jeden absorpční pás (viz také obrázek na str. 26). Není mi moc jasné, zda autor použil rovnici (3), která je převzata z ref. [17] i s nejasným zápisem (první nabla ve výrazu na pravé straně se vztahuje na celý první člen).  Zajímavé je, že autor vypočetl rozložení teploty okolo 20 nm stříbrné nanočástice (viz obr. 9) a došel ke změnám teploty o dvě setiny stupně v P3HT:PCBM (na rozdíl od ref. [17], kde teplotní změny jsou v jednotkách Kelvinů pro 30 nm Au částici ve vodě). Jak lze rozdíl vysvětlit, zvláště vzhledem k tomu, že autor na str. 24 uvádí, že Ag částice generují 10x více tepla než Au částice?
    Další otázky mne napadaly i při čtení dalších kapitoly, která se týkala výpočtů FDTD pomocí SW Lumerical, ale jejich plný výčet by tento posudek neúměrně prodloužil. Uvedu jen ty, které mi přišly důležité: autor uvádí na str. 31 jako zdroj optických konstant pro P3HT: PCBM spektroskopickou elipsometrii – byla to vlastní měření autora nebo se jedná o převzaté hodnoty? Jak univerzální tyto hodnoty jsou? Popis obrázku 34 je uveden v mikrometrech, ale má se jednat o rozložení polí poblíž 20 nm částice – myslím, že popis os obrázku musí být chybný. Totéž se týká obrázku 44 a 54. Hlavní otázkou této kapitoly však zřejmě je, jak volba okrajových podmínek (viz str. 29 a 30) může ovlivnit výsledky.
    Vlastní experimentální výsledky v kapitole 5 ukazují systematickou studii několika metod přípravy BHJ struktur s Ag částicemi. V této kapitole jsem měl nejasnosti především ohledně tloušťky povrchové vrstvy obalující Ag částice, která zabránit agregaci částic, ale která také vede k tomu, že oblasti s nejsilněji koncentrovaným polem se octnou právě v ní. V práci mi chyběl údaj o tom, jaká je tloušťka této citrátové vrstvy. Poslední otázka se samozřejmě týká stability výsledků, ať už vzhledem ke vlivu okolního prostředí nebo vlivu osvětlení. Tvrzení na str. 59: „once the certain quantity of photons is absorbed in the photoactive layer, the exciton is created“ je prostě špatně.
Důležitý závěr autora na str. 60, že všechny křivky vykazují pás u 420 nm, kde nastávají plazmonické efekty pro Ag nanočástice, je také pochybný: pás vykazuje i referenční vzorek bez nanočástic, naopak, u vzorků s částicemi je pás slabší.
    Chtěl jsem se poučit více o metodě SSDC, se kterou jsem se dosud nesetkal – popis v práci ale bohužel nestačil k tomu, abych ji pochopil. V textu kapitoly 5.2.3 také není uveden žádný odkaz, kde by metoda byla popsána.
    Přes uvedené výhrady je zřejmé, že autor provedl velké množství výzkumných prací, které na pracovišti FSI VUT otevírají důležité téma využití plazmoniky ve fotovoltaice. Je zřejmé, že autor k tomu využil především svého pobytu v Eindhovenu. Jeho práci lze označit za důležitou pro rozvoj této oblasti v Brně, i když další rozvoj závisí na dosažitelnosti odpovídajícího vybavení. V tomto smyslu konstatuji, že předložená diplomová práce dosáhla stanovených cílů, byť se značnými výhradami k úrovni zpracování. Tyto výhrady nejsou jen formální připomínky na úrovni překlepů nebo přehlédnutí.  Předložená diplomová práce svědčí spíše o tom, že autor nevěnoval dostatečnou pozornost tomu, aby výsledky skutečně promyslel. Závěrem: doporučuji autorovi, aby si pro příště odnesl zprávu o tom, že výsledky se stanou skutečnými výsledky až poté, co jsou precizně zpracovány a domyšleny.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita E
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry E
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací D

Známka navržená oponentem: D